EP1213365A1

EP1213365A1 - Legierung auf der Basis von Titanaluminiden

Info

Publication number: EP1213365A1
Application number: EP01124481A
Authority: EP
Inventors: Jonathan Dr. Paul; Fritz Dr. Appel; Uwe Lorenz; Michael Dr. Oehring
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2002-06-12
Also published as: JP2002167635A; CN1360074A; DE10058155A1; KR20020040583A

Abstract

Es wird eine Legierung auf der Basis von unter Verwendung von schmelz- und pulvermetallurgischen Techniken hergestellten Titanaluminiden mit einer Legierungszusammensetzung aus Titan, Aluminium und Niob vorgeschlagen. Dabei liegt der Aluminiumgehalt der Legierung im Bereich zwischen 45,5 und 49 Atom % und der Niobgehalt zwischen 4 bis 10 Atom %. Bor und Kohlenstoff können zwischen 0,1 bis 0,5 Atom % bzw. 0,1 bis 0,8 Atom % vorhanden sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Legierung auf der Basis von unter Verwendung von schmelz- oder pulvermetallurgischen Techniken hergestellten Titanaluminiden mit einer Legierungszusammensetzung aus Titan, Aluminium und Niob.

Eine Legierung dieser Art ist bekannt (DE-OS 197 35 841). Als metallische Hochtemperaturwerkstoffe wurden bisher vorwiegend Werkstoffe auf Nickelbasis oder Eisenbasis eingesetzt, sogenannte Superlegierungen, die ein hohes spezifisches Gewicht haben. Daher lassen sich mit diesen Werkstoffen regelmäßig keine Konstruktionselemente realisieren, bei denen es bei hoher Festigkeit auf ein sehr geringes Gewicht ankommt, beispielsweise in modernen Energieerzeugungsanlagen, Automobilen oder Flugzeugturbinen, um den Wirkungsgrad derartiger Anlagen und Aggregate zu verbessern. Zur Substitution von Superlegierungen wurden deshalb seit einiger Zeit Legierungen auf der Basis von Titanaluminiden entwickelt und eingesetzt, deren spezifisches Gewicht nur halb so groß wie das der Superlegierungen ist. Technisch relevante Titanaluminid-Legierungen sind aus intermetallischen Phasen γ (TiAl) und α₂ (Ti₃ Al) aufgebaut. Die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen hängen von den relativen Volumenanteilen dieser beiden Phasen ab, die ihrerseits vorwiegend durch den Aluminiumgehalt bestimmt sind. Die Zugfestigkeit der gattungsgemäßen Legierungen konnte durch einen 5 bis 10 Atom % Anteil von Niob deutlich verbessert werden, worauf in der gattungsbildenden DE-OS 197 35 841 hingewiesen worden ist. Die gattungsgemäßen Legierungen zeichnen sich durch sehr hohen Zugfestigkeit aus, die, auf das spezifische Gewicht bezogen, die der Superlegierungen übertreffen. Die gute Zugfestigkeit dieser Nb-haltigen Legierungen beruht auf den in ihnen vorhandenen hohen Volumenanteilen der α₂ (Ti₃ Al)-Phase. Die α₂ (Ti₃ Al)-Phase löst sich jedoch bei Anwendungstemperaturen oberhalb von 700 °C leicht auf und bildet sich in die γ (TiAl)-Phase um. Dieses führt zu großen Strukturänderungen im Gefüge, die für die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen äußerst nachteilig sind. Unter diesen Bedingungen tritt insbesondere eine hohe Kriechverformung des Werkstoffs auf, die ihn für viele Anwendungen nicht einsetzbar macht. Hinzu kommt, daß die damit verbundenen strukturellen Änderungen im Gefüge des Werkstoffs zu seiner Versprödung führen, die sich sehr nachteilig auf eine nachfolgende Belastung eines aus einem derartigen Werkstoff hergestellten Bauteils bei tiefen Temperaturen auswirkt.

Um die Kriechfestigkeit und die Gefügestabilität der Titanaluminidlegierungen zu verbessern, wurde bei vorgegebener Legierungszusammensetzung bisher eine Optimierung des Gefüges hauptsächlich durch geeignete Wärmebehandlung vorgenommen. Dabei konnte in bestimmtem Maße die Einstellung sogenannter lamellarer Gefüge erreicht werden. Lamellare Gefüge wandeln sich jedoch bei Langzeitbelastungen wieder in globulare Gefügen um, d. h. in ihre Ausgangsgefüge vor der Wärmebehandlung. Hinzu kommt noch, daß sich lamellare Legierungen bei tiefen und mittleren Temperaturen als spröde erweisen, was ihre technische Anwendbarkeit sehr stark einschränkt.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Legierung auf der Basis von Titanaluminiden bereitzustellen, die diese Nachteile nicht hat, d. h. eine Legierung, die eine große Temperaturfestigkeit sowohl bei hohen als auch niedrigen Temperaturen aufweist, die ebenfalls eine hohe Oxidationsbeständigkeit aufweist und eine hohe Kriechbeständigkeit, wobei die erfindungsgemäße Legierung dennoch einfach und kostengünstig herstellbar und verhältnismäßig einfach bearbeitbar sein soll.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch eine Legierungszusammensetzung der gattungsgemäßen Art, bei der der Aluminiumgehalt der Legierung im Bereich zwischen 45,5 und 49 Atom % liegt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß mittels der erfindungsgemäß gewählten Zusammensetzung Titanalumidlegierungen bereitgestellt werden können, die bei hohen Temperaturen eine deutlich bessere Festigkeit aufweisen. Durch den im Vergleich zu der DE-OS 197 35 84 Titanaluminidlegierung höheren Anteil an Aluminium wird eine unerwartet höhere Oxidationsbeständigkeit erreicht. Ein weiterer Vorteil sind die erfindungsgemäß erreichbaren geringeren Dichten der erfindungsgemäßen Legierungen und die vergleichbar niedrigen Rohstoffkosten. Ein weiterer Vorteil ist, daß sich unter Berücksichtigung des vorrangehend Gesagten der Anwendungsbereich von Titanaluminidlegierungen mittels der erfindungsgemäßen Lösung deutlich erweitert.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die Legierung ebenfalls Bor, vorzugsweise mit einem Borgehalt in der Legierung im Bereich von 0,1 bis 0,5 Atom %. Der Zusatz von Bor führt vorteilhafterweise zur Bildung von stabilen Ausscheidungen, die zur mechanischen Härtung der erfindungsgemäßen Legierung und zur Stabilisierung des Gefüges der Legierung beitragen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die Legierung Kohlenstoff, und zwar vorzugsweise mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,1 bis 0,8 Atom %. Auch der Zusatz von Kohlenstoff, gegebenenfalls in Kombination mit dem vorbeschriebenen Zusatzstoff Bor, führt zur Bildung von stabilen Ausscheidungen, die ebenfalls zur mechanischen Härtung der Legierung und zur Stabilisierung des Gefüges beitragen.

Schließlich ist es vorteilhaft, den Niobgehalt in der Legierung im Bereich zwischen 4 bis 10 Atom % zu wählen, womit die Zugfestigkeit der Legierung deutlich verbessert werden kann.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte einzige Figur näher beschrieben. Diese zeigt:

ein Diagramm, das die Variation der Fließspannung mit der Aluminiumkonzentration der erfindungsgemäßen Legierung zeigt.

Bei der Figur wird von einer Legierung des Typs
Ti-aAl-nNb-cC-bB
ausgegangen, bei der für die Konzentrationsintervalle der Legierung gilt, daß a = 45,5-49, n = 4-10, c = 0,1-0,8 und b = 0,1-0,5 Atom % ist, wobei im vorliegenden Fall für die Darstellung im Diagramm n = 10, b = 0,2 und c = 0,2 gewählt worden ist. Die Figur enthält die Festigkeitswerte für Raumtemperatur und 900 °C. Darüber hinaus sind die Festigkeitswerte einer durch die gattungsbildende DE-OS 197 35 841 realisierten Legierung in einer Zusammensetzung Ti-45 A1-10Nb-0,2C-0,2B (ebenfalls in Atom %) enthalten.

Wie aus der Figur ersichtlich, werden mit der erfindungsgemäßen Legierung bis zu Aluminiumkonzentrationen von 47 Atom % bei Raumtemperatur nahezu gleiche Fließspannungen von etwa 1000 MPa erreicht. Erst danach fällt die Fließspannung deutlich ab. Bei 900 °C steigt die Fließspannung zunächst deutlich mit der Aluminiumkonzentration an und erreicht bei ca. 47 Atom % ein Maximum und fällt dann wieder zu den an der Legierung Ti-45A1-10Nb-0,2C-0,2B gemessenen Werten ab. Diese Beobachtung weist darauf hin, daß die Hochtemperatur-Fließspannung von Nb-haltigen Titanaluminiden sehr empfindlich vom Aluminiumgehalt abhängt. Dieses ist erfindungsgemäß erkannt worden. Die Zusätze von Kohlenstoff und Bor führen zur Bildung von stabilen Ausscheidungen, die zur mechanischen Härtung der Legierung und zur Stabilisierung des Gefüges beitragen.

Es ist aus der Figur ersichtlich, daß mittels der erfindungsgemäßen Legierung bei hohen Temperaturen deutlich höhere Festigkeiten der Legierungen erreicht werden können. Durch den im Vergleich zur gattungsgemäßen Legierungszusammensetzung höheren Aluminiumgehalt kann zudem eine bessere Oxidationsbeständigkeit erreicht werden. Weitere Vorteile sind niedrigere Dichten und geringere Gestehungskosten, wodurch sich ebenfalls der Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Legierungen deutlich erweitern läßt.

Durch die Verwendung herkömmlicher metallurgischer Schmelz-oder Gießmethoden oder auch bekannter pulvermetallurgischer Verfahren können die erfindungsgemäßen Legierungen hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Legierungen können auch durch heiß-isostatisches Verdichten, Wärmebehandlungen, Warmschmieden und Warmstrangpressen oder eine Kombination dieser Verfahren umgeformt beziehungsweise weiterverarbeitet werden.

Claims

Legierung auf der Basis von unter Verwendung von schmelz- und pulvermetallurgischen Techniken hergestellten Titanaluminiden mit einer Legierungszusammensetzung aus Titan, Aluminium und Niob, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumgehalt der Legierung im Bereich zwischen 45,5 und 49 Atom % liegt.
Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Bor enthält.
Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Borgehalt in der Legierung im Bereich zwischen 0,1 bis 0,5 Atom % liegt.
Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kohlenstoff enthält.
Legierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffgehalt im Bereich zwischen 0,1 bis 0,8 Atom % liegt.
Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Niobgehalt in der Legierung im Bereich zwischen 4 bis 10 Atom % liegt.